java 自旋_java如何实现“自旋”(spin)

本文探讨了Java中自旋锁与条件变量的区别,通过一个顺序打印ABC的程序实例展示了自旋锁的实现。自旋锁是一个空循环,等待条件满足后进入临界区,而条件变量则涉及wait/notify机制。在POSIX规范中,两者被视为不同的同步原语。文章还提到了Thread.yield()在优化自旋锁时的作用。

个人觉得wait/notify是条件变量的一种,并不是操作系统意义上的自旋,自旋应该是一个空loop,当loop的条件被其他线程改变时再进入临界区,参考java锁的种类以及辨析(一):自旋锁,其中如果觉得空循环耗CPU,方法体里加上Thread.yield()。譬如以下是一个顺序打印ABC的程序:

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CharacterPrint implements Runnable {

private int state = 0;

private final int COUNT = 10;

private String[] chs = { "A", "B", "C", "D" };

private final int N = chs.length;

private Lock lock = new ReentrantLock();

private CharacterPrint() {

}

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < N; i++) {

createThread(i);

}

}

private void createThread(final int i) {

new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

try {

while (state != i) {

Thread.yield();

}

;

lock.lock();

for (int j = 0; j < COUNT; j++) {

System.out.println(chs[i]);

}

state = (i + 1) % N;

} finally {

lock.unlock();

}

}

}, "thread" + i).start();

}

public static void main(String[] args) {

new CharacterPrint().run();

}

}

最后想说,一直都不太清楚自旋锁和条件变量差在哪里,但在posix的规范里它们就是不同的东西,参考同步和互斥的POSXI支持(互斥锁,条件变量,自旋锁)

### **自旋锁(spin_lock)在用户空间是否可用?** #### **1. 核心结论** **默认情况下,Linux 内核的 `spin_lock` 不能在用户空间直接使用!** - **原因**: - 自旋锁是 **内核级同步原语**,依赖内核提供的原子操作和调度机制(如禁用抢占、中断处理)。 - 用户空间没有权限执行内核原子指令(如 `xchg`、`cmpxchg`)。 - 若在用户空间自旋,可能引发 **死锁**(如线程持有锁时被抢占,其他线程无法获取CPU)。 --- #### **2. 用户空间的替代方案** 若需类似自旋锁的行为,可使用以下机制: | **机制** | **特点** | **适用场景** | |-----------------------|-------------------------------------------------------------------------|----------------------------------| | **`pthread_spinlock_t`** | POSIX 提供的用户态自旋锁,通过 `pthread_spin_init`/`pthread_spin_lock` 调用 | 低延迟、短期锁竞争(如高性能计算) | | **原子操作(`atomic_t`)** | 基于 CPU 原子指令(如 `__atomic_add_fetch`),配合忙等待实现轻量同步 | 极简场景(如计数器) | | **互斥锁(`pthread_mutex_t`)** | 阻塞式锁,线程竞争时会休眠 | 通用场景(默认选择) | --- #### **3. 为什么内核自旋锁(spin_lock)不能用于用户空间?** - **硬件依赖**: 内核自旋锁通过 `ldrex`/`strex`(ARM)或 `xchg`(x86)等 **特权指令** 实现原子操作,用户态程序无权调用。 - **调度风险**: 用户态线程若自旋时间过长,可能被调度器抢占,导致其他线程无法获取CPU(而内核自旋锁会禁用抢占)。 - **优先级反转**: 用户态自旋可能引发优先级反转问题(内核自旋锁通过 `raw_spin_lock` 等机制避免)。 --- #### **4. 用户态自旋锁示例(`pthread_spinlock_t`)** ```c #include <pthread.h> pthread_spinlock_t spinlock; void* thread_func(void* arg) { pthread_spin_lock(&spinlock); // 自旋等待 // 临界区操作 pthread_spin_unlock(&spinlock); return NULL; } int main() { pthread_spin_init(&spinlock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE); // 初始化 pthread_t thread; pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL); pthread_join(thread, NULL); pthread_spin_destroy(&spinlock); // 销毁 return 0; } ``` --- #### **5. 何时选择用户态自旋锁?** - **适用场景**: - 临界区极短(纳秒级操作),且线程竞争较少。 - 需要避免线程休眠/唤醒的开销(如实时系统)。 - **不适用场景**: - 临界区较长(可能导致CPU空转浪费)。 - 高并发竞争(改用互斥锁更高效)。 --- #### **6. 性能对比(自旋锁 vs 互斥锁)** | **锁类型** | **线程竞争时的行为** | **开销** | **适用场景** | |------------------|--------------------------|-------------------|--------------------------| | 用户态自旋锁 | CPU 忙等待 | 极低(无上下文切换) | 极短临界区、低竞争 | | 互斥锁(`mutex`) | 线程休眠,触发调度器介入 | 较高(上下文切换) | 通用场景、长临界区 | ---
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